遺傳算法在植保無人機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

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摘要:以無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過對(duì)植保無人機(jī)的應(yīng)用進(jìn)行分析，提出一種雙閉環(huán)控制方式的植保無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)。由于作業(yè)需求，植保無人機(jī)飛行軌跡應(yīng)根據(jù)作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行不斷調(diào)整，有效避開飛行航線中的障礙物，因此控制系統(tǒng)中兼容一種基于遺傳算法的植保無人機(jī)飛行避障算法。仿真實(shí)驗(yàn)表明:植保無人機(jī)在飛行過程中能夠有效進(jìn)行單障礙及多障礙的規(guī)避，避障過程存在較小的誤差，不會(huì)對(duì)植保無人機(jī)的作業(yè)狀態(tài)產(chǎn)生影響;不同飛行速度對(duì)無人機(jī)的避障會(huì)產(chǎn)生不同程度的誤差影響，速度越高，誤差越大。

關(guān)鍵詞:植保無人機(jī);飛行控制系統(tǒng);遺傳算法;軌跡規(guī)劃

隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大。植保無人機(jī)在作業(yè)過程中具有較高的效率，能適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境，且可搭載不同的作業(yè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)較高的靈活性［1］。無人機(jī)控制技術(shù)及人工智能程度逐漸提高，采用低功率、高效率的控制方式進(jìn)行植保無人機(jī)飛行控制，已成為當(dāng)前植保無人機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)［2－3］。在進(jìn)行高效率智能控制過程中，為提高植保無人機(jī)的作業(yè)效率及作業(yè)質(zhì)量，對(duì)無人機(jī)的飛行軌跡進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃與控制，是植保無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能［4～5］。筆者針對(duì)植保無人機(jī)飛行作業(yè)過程中通過障礙區(qū)和非障礙區(qū)時(shí)的兩種不同作業(yè)軌跡進(jìn)行研究，提出一種基于遺傳算法的植保無人機(jī)分析軌跡優(yōu)化方法，以實(shí)現(xiàn)植保無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1無人機(jī)總體架構(gòu)

植保無人機(jī)的主要架構(gòu)包含飛行器、飛行控制系統(tǒng)及植保作業(yè)系統(tǒng)，如圖1所示。在無人機(jī)上搭載飛行控制核心控制器，獲取飛行器的飛行姿態(tài)及軌跡信息，并通過PWM指令信息進(jìn)行姿態(tài)及軌跡的調(diào)整;同時(shí)，核心控制器輸出控制指令，進(jìn)行植保無人機(jī)作業(yè)系統(tǒng)控制［6－7］。

2無人機(jī)控制系統(tǒng)

植保無人機(jī)的飛行核心控制器包含飛行控制系統(tǒng)及地面控制系統(tǒng)。飛行控制器主要由飛行控制芯片組成，可在無人機(jī)飛行過程中讀取傳感器信號(hào)，并通過內(nèi)置代碼對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，解算出植保無人機(jī)飛行控制姿態(tài)角度［8］;同時(shí)，采用雙閉環(huán)控制的方式完成飛行姿態(tài)角度的調(diào)整，將風(fēng)速及其他噪音信號(hào)作為控制系統(tǒng)的干擾數(shù)據(jù)，從而達(dá)到消除擾動(dòng)誤差修正的目的，實(shí)現(xiàn)植保無人機(jī)飛行控制過程中的平衡穩(wěn)定性［9］。植保無人機(jī)飛行過程穩(wěn)定后，可接收地面控制指令，實(shí)現(xiàn)飛行過程的控制及植保作業(yè)過程的順利進(jìn)行。植保無人機(jī)飛行控制流程如圖2所示。在植保無人機(jī)飛行過程中，傳感器每隔2ms進(jìn)行1次數(shù)據(jù)采集，實(shí)時(shí)進(jìn)行無人機(jī)飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)的更新;通過串口中斷程序接收地面控制指令信號(hào)，并進(jìn)行控制指令信號(hào)的處理，將接收到的地面期望控制指令進(jìn)行解調(diào)，控制無人機(jī)按照期望飛行姿態(tài)進(jìn)行飛行，保證植保無人機(jī)的自平衡穩(wěn)定性，使其能夠按照控制指令進(jìn)行飛行［10］。圖3所示為植保無人機(jī)控制系統(tǒng)工作流程圖。根據(jù)植保無人機(jī)的飛行精度及作業(yè)要求，采用雙閉環(huán)控制方式進(jìn)行植保無人機(jī)控制程序的編制，將飛行姿態(tài)角度作為控制系統(tǒng)外環(huán)，將飛行角速度作為控制內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)［11］。在飛行控制過程中，每個(gè)自由度形成獨(dú)立的閉環(huán)控制。其中，e(t)為角度偏差值;e(t－1)為上一時(shí)刻角度偏差值;Kp為角度環(huán)控制比例系數(shù);Ki為角度環(huán)控制積分系數(shù);Kd為角度控制微分系數(shù);u(t)為角度環(huán)控制輸出值。

3遺傳算法與無人機(jī)飛行軌跡

植保無人機(jī)作業(yè)過程中，手動(dòng)控制的操作方式無法適應(yīng)無人機(jī)高效作業(yè)的需求，且容易造成無人機(jī)飛行過程路線偏離，導(dǎo)致無人機(jī)作業(yè)出現(xiàn)重復(fù)或者遺漏［12］。為提高無人機(jī)作業(yè)過程效率及作業(yè)準(zhǔn)確性，采用遺傳算法對(duì)無人機(jī)飛行過程中遇到障礙和無障礙兩種條件下的飛行軌跡進(jìn)行規(guī)劃。在無障礙飛行過程中，以能源消耗最少為目標(biāo)進(jìn)行飛行軌跡規(guī)劃;在有障礙物飛行過程中，以飛行軌跡長(zhǎng)度最小為目標(biāo)，同時(shí)減少飛行過程中轉(zhuǎn)彎次數(shù)，提出一種基于遺傳算法的植保無人機(jī)飛行軌跡規(guī)劃算法。無障礙飛行軌跡優(yōu)化過程中，首先將作業(yè)區(qū)域進(jìn)行初始化，使作業(yè)區(qū)域劃分為平面圖，并尋找出作業(yè)區(qū)域邊緣，隨機(jī)生成不同的航向角個(gè)體。植保無人機(jī)飛行過程中，會(huì)遇到樹木、電桿及建筑物等障礙，導(dǎo)致無人機(jī)無法按照無障礙情況進(jìn)行飛行，此時(shí)需要采用一種避障軌跡規(guī)劃的算法。隨著障礙物數(shù)量的增多，植保無人機(jī)控制系統(tǒng)在進(jìn)行避障軌跡計(jì)算時(shí)計(jì)算量加大，采用遺傳算法進(jìn)行軌跡優(yōu)化，可有效進(jìn)行避障軌跡的搜索。圖4為避障軌跡優(yōu)化算法流程圖。

4仿真實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證基于遺傳算法設(shè)計(jì)的植保無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)可靠性，設(shè)置兩組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。其中，一組為單障礙飛行，另一組為多障礙飛行。單障礙飛行過程中，在飛行區(qū)域設(shè)置1個(gè)障礙點(diǎn)，直徑為8m，中心與飛行起點(diǎn)距離為60m，飛行區(qū)域?qū)挾葹?0m、長(zhǎng)度為120m，飛行速度分別為2、4、6m/s。飛行完成后，根據(jù)飛行坐標(biāo)繪制植保無人機(jī)的軌跡，如圖5所示。同理，多障礙飛行實(shí)驗(yàn)中，在飛行區(qū)域內(nèi)設(shè)置兩個(gè)不同障礙點(diǎn)，直徑為8m，中心與飛行起點(diǎn)的距離分別為40m和80m，飛行區(qū)域?qū)挾葹?0m、長(zhǎng)度為120m，飛行速度分別為2、4、6m/s。飛行完成后，根據(jù)飛行坐標(biāo)繪制植保無人機(jī)的軌跡，如圖6所示。

5結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:植保無人機(jī)能夠?qū)︼w行過程中的不同障礙進(jìn)行有效的回避，達(dá)到飛行控制過程中避障的目的;避障軌跡與理論軌跡之間存在微小偏差，但不會(huì)對(duì)植保無人機(jī)的飛行狀態(tài)產(chǎn)生影響;不同的飛行速度對(duì)軌跡誤差會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響，速度越高，飛行軌跡與理論軌跡之間的偏差越大。

作者：劉桂峰 單位：河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院